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3D仿生鲨鱼皮问世,仿鲨鱼皮涂层提高风电机发电效率
发布时间:2019-12-31 19:31
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据法新社报道,航空业在孜孜不倦地研发更符合空气动力学、油耗更优的新型飞机过程中发现,也许能从海洋中最古老的掠食者鲨鱼身上找到减少能源消耗的关键因素。

内容摘要:科学家和工程师们一直对能对在水里运动有积极影响的鲨鱼皮的研究颇为着迷,为了研究物体在微观层面上如何更好更快地在水里运动,哈佛大学的研究者们目前已经使用3D打印技术成功研制...

科学家早就对鲨鱼减少游动阻力的特殊表皮结构感兴趣。德国弗劳恩霍夫生产技术和应用材料研究所18日说,该所研究人员研制出一种仿鲨鱼皮的表面涂层,可明显改善风力发电机扇叶的空气动力性能,从而提高发电效率,减少噪音。

德国汉莎航空公司本月早些时候宣布,其两架空中客车A340-300飞机将参与今年夏天开始的“鲨鱼皮”性能测试。该测试为期两年,8块10平方米的涂层将被喷涂在飞机机身部分和大翼边缘。这种新型喷漆由位于德国不莱梅的弗劳恩霍夫研究所研制,该公司主要研发先进的制造技术和新材料,他们希望新型喷漆能模拟在水中快速游动的鲨鱼的皮肤。

据报道,美国哈佛大学的科学家正研究如何根据鲨鱼的皮的特性,用3d打印机制作新的、性能更好的人造鲨鱼皮泳衣。

研究人员介绍说,鲨鱼表皮沿游动方向有序排列着沟槽状结构,科学家认为这种结构能在湍流中减小表面摩擦阻力。弗劳恩霍夫生产技术和应用材料研究所的专家将其研制的仿鲨鱼皮涂层,铺设在一台风电机的扇叶上进行测试,证实这种涂层可将扇叶的升阻比提高超过30%。升阻比是飞行器升力与阻力之比,升阻比越高,其空气动力性能越好。

鲨鱼皮肤表面的细小皱褶能减少湍流漩涡及其产生的阻力,当鲨鱼快速游动时,帮助减少表面阻力。鲨鱼皮的流线型性能早在30年前就已被人们所了解,并吸引了各个领域的科学家对其进行研究,从军事应用到航空航天领域,从海军建设到风能技术领域,最近还应用至游泳衣。

为了研究物体在微观层面上如何更好更快地在水里运动,哈佛大学的研究者们目前已经使用3d打印技术成功研制出了人造鲨鱼皮。那么,他们是如何研制出人造鲨鱼皮的呢?以下是他们的研究过程。

研究人员还说,这种可取代传统涂层的仿鲨鱼皮涂层不会增加风电机扇叶重量,从而可以提高发电效率,每年估计可将一台风电机的电流输出量提高5%至6%,而且可以减少噪音。

弗劳恩霍夫研究所的项目主管斯坦泽尔表示,人们曾尝试把模仿鲨鱼皮制造的塑胶膜贴到飞机表面,“但这种材料有一个重大缺陷:非常沉重,给飞机增加的重量抵消了可能节省的燃油量。同时很难贴合弧形的机身表面而不起皱或产生压痕。”此外,飞机每五年就需要剥去旧膜,覆上新膜,专家表示:“那种塑胶膜根本无法实现。”

从微观层面上看,鲨鱼的皮的表面上并不光滑——它的表面上布满了无数重叠的小齿状鳞屑。这种细齿扰乱了水在鲨鱼体表的流动轨迹,从而减少了水的阻力。 科学家和工程师们一直对这种能对在水里运动有积极影响的鲨鱼皮的研究颇为着迷,但以往他们在研究这种皮肤是如何影响水流的运行的时候常遇到麻烦。因为那时,他们不能直接改变鱼皮上的细齿以观察水流的变化。但现在,我们有了3d及其配套技术。

因此,弗劳恩霍夫研究所的科学家们与空中客车公司和DLR德国航空航天中心合作,研究出了一种将鲨鱼皮的结构性能融合进飞机涂层的新型技术。其设计理念是使飞机表面更符合空气动力学原理,油耗减少约1%,降低运营成本。

研究人员首先根据显微镜中的一个鲨鱼皮上的小齿状鳞屑,在电脑上用重建了一个3d的鳞屑。接着,他给整块鲨鱼的皮肤用3d技术精确地建了模。模型建好了,下一步是根据模型制作仿生鲨鱼皮。而制作则面临着一个问题,即要保证制作出的仿生鲨鱼皮就像真的鲨鱼皮一样拥有良好的韧性和实用性,那么如何精确地在一块柔软的材料上精确地嵌上这些小齿状鳞屑呢?这对研究人员来说是一个挑战。

空中客车飞行物理学技术研发部门主管达拉克表示,汉莎航空投入实验的两架飞机是该技术应用于航空业之前的最后测试阶段。“预计性能测试将能够达标,目前的问题只是看节约的运营成本和持久性能达到多少”,他说,“作为航空公司,不可能每个航班降落后都做飞机外表清洁,新涂层的使用寿命至少需要维持好几年。”

关于这个问题,来自哈佛大学的乔治·劳德(george lauder)在接受《实验生物学报》( journal of experimental biology)的采访时说:“在考虑了多种解决方案后,我们决定采用3d打印技术。这当中需要我们突破的最大难关是如何用不同材料打印,以及如何通过3d打印技术在一层膜上将这些小齿状鳞屑一个一个重叠地镶嵌牢固。”一年之后,他们通过对不同材料的测试、改变鳞屑间的间隔等,韦弗(weaver)终于找到了能保证仿生鲨鱼皮基本质量的办法。

工程师估测,如果一架飞机有40%至70%的外表面能使用新涂层,那么几乎不需要什么花费就能降低1%的油耗。达拉克认为,随着油价的升高和人们对于飞行给环境造成的影响的不断关注,这项技术将给航空公司带来巨大好处。

“这将是人类第一次可以测量光滑表面和鲨鱼皮表面之间在游动时遇到的阻力方面的差别的时刻。”韦弗说道。

另一项已经在航空业得到使用、并有可能应用到更广泛领域的先进技术,也受到了大自然的启发:荷叶的微观表面凹凸不平并覆盖着细小绒毛,这一独特结构使之高度防水。人们模仿这一特征,研发出了经过特殊处理的表面涂层,并应用于A380飞机内部,使清洁工作更容易。空中客车公司同时还在研究这种涂层是否也可以应用于飞机外表面。

而劳德现在则热衷于研究这些小齿状鳞屑的排列在被改变时将如何影响仿生鲨鱼皮在水里的表现。但话说回来,正在看这篇文章的我们距离穿上仿生鲨鱼皮泳衣的时间还很长——“工业化生产仿生鲨鱼皮的难度极高,”劳德说。

达拉克表示;“飞机除冰是个大问题,并且花费高昂。如果水珠不能附着在飞机外表面,就不会结冰,那将意味着一个巨大进步。”

新闻扩展:

航空公司不断增加的兴趣将加速飞机外表面技术的研发,“这些技术在接下来几年内就有可能应用至整个航空业。”

德制成鲨鱼皮涂层 仿生学助提高风电机发电效率

科学家早就对鲨鱼减少游动阻力的特殊表皮结构感兴趣。德国弗劳恩霍夫生产技术和应用材料研究所说,该所研究人员研制出一种仿鲨鱼皮的表面涂层,可明显改善风力发电机扇叶的空气动力性能,从而提高发电效率,减少噪音。

研究人员介绍说,鲨鱼表皮沿游动方向有序排列着沟槽状结构,科学家认为这种结构能在湍流中减小表面摩擦阻力。弗劳恩霍夫生产技术和应用材料研究所的专家将其研制的仿鲨鱼皮涂层,铺设在一台风电机的扇叶上进行测试,证实这种涂层可将扇叶的升阻比提高超过30%。升阻比是飞行器升力与阻力之比,升阻比越高,其空气动力性能越好。

研究人员还说,这种可取代传统涂层的仿鲨鱼皮涂层不会增加风电机扇叶重量,从而可以提高发电效率,每年估计可将一台风电机的电流输出量提高5%至6%,而且可以减少噪音。

仿生技术:让人造器官更加天然

皮肤

加州大学的研究人员发明了一种能够感应压力的电子皮肤,其基体是一种聚合树脂制成的胶片,表面有黏性,覆盖有发挥信号感知和传导作用的一种锗硅混合纳米线,在纳米线上安装纳米级传感器,再覆盖一种对压力敏感的橡胶。电子皮肤极为敏感,一只蝴蝶轻轻落在上面也能感应到。这种电子皮肤将来有望帮助使用假肢的病人恢复触觉。

英国布里斯托大学的科学家们研制出一种人造肌肉,能够复制天然肌肉的活动,并且具有非常强的视觉效果。科学家们有望在此基础上创造出很多新技术,制造出能改变颜色进行伪装的智能服装以及让人体冬暖夏凉的“智能”皮肤。

心脏

用人造心脏来替代病变或损坏的心脏一直是医学界的梦想。如今,人造心脏的临床应用已成为可能。法国carmat医药公司预计在明年将新型人造心脏推广到欧洲市场。这种人造心脏经历15年的研发,表面由人造制品和动物组织制成,由两个小型电动马达驱动。在植入病人胸腔后,通过感应器上收集到的信息来模仿真实器官的各种反应,并通过皮肤上或插在病人耳朵后面的电磁感应器,驱动控制器来操作人造心脏。

2011年,英国男子克里斯·马歇尔由于心脏动脉狭窄,接受了植入性左心室辅助装置手术。自此之后,马歇尔就有了一颗独特的“电子心脏”。由于这颗“电子心脏”需要由两个电池驱动,而电池的电量只能维持4个小时,所以马歇尔随时随地都会找电源为自己的心脏“充电”。

大脑

人体大脑的完全复制目前还没法做到,但大脑起搏器的技术已有所突破。

老年痴呆症、中风和帕金森综合征等无不使大脑处于停顿状态,失去对身体的控制能力。科学家们发现,大脑起搏器是通过电脉冲刺激大脑局部神经便可使患者在一定程度上恢复身体知觉,因此医生将导线植入大脑特定位置,利用脑部节律器发出的电波刺激,来调节脑部不正常的活动讯息,控制身体运动紊乱症状。这项技术除了被应用于以上三种疾病,还被用来治疗抑郁症与强迫症,均收到一定疗效。不过,大脑起搏器涉及的技术在医学界仍存很大争议,一些专家质疑其能否长期产生效用甚至彻底根治疾病。